CFD介紹及其在建筑通風中的應用

■尹中偉，何 磊

■1.河南省駐馬店市大地裝飾設計工程有限公司，河南 駐馬店 463000;2.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京 102249

建筑通風即是用自然或機械的方法向某個建筑空間通入室外的空氣，或向外排出空氣的過程。建筑通風希望增大室內空氣流通速度，減少室內空氣中細菌的滋生，加大空氣中氧氣的比例，讓居民的健康呼吸更有保障。因此，人們進行建筑通風的研究，優化建筑的結構。建筑通風的主要研究方法有實驗方法和數值模擬方法。實驗方法較準確，但是時間長，且花費大量人力、物力、財力。隨著數值模擬的不斷發展，在建筑通風的研究中CFD得到了越來越多的應用，相比試驗方法，CFD方法節約時間、成本低、能模擬較復雜或較理想的過程等，在建筑通風的設計中得到了良好的應用。

1CFD簡介

CFD即英文Computational Fluid Dynamics(計算流體動力學)的簡稱。CFD研究計算的基本定律是:動量守恒定律、能量守恒定律和質量守恒定律，把連續的計算域離散成許多個子區域(體積單元)，運用計算機在每個子區域上對控制方程組進行數值求解，從而分析整個計算域上流體的流動、傳熱和傳質。簡要地說，CFD相當于“虛擬”地在計算機上進行實驗，從而模擬真實的流體流動。隨著CFD計算方法和物理模型的不斷改進和完善，以及計算機運算能力的不斷增強，許多成熟的商業化CFD軟件在不同行業得到了廣泛的應用。

2 CFD常用軟件

自1981年英國CHAM公司首先推出求解流動與傳熱問題的PHOENICS軟件以來，國際軟件產業迅速形成了通稱為CFD軟件的產業市場。下面著重介紹國內科研院所和高校引進的5種軟件。

(1)PHOENICS。1981年即投放市場，可以說是CFD/NHT商用軟件的鼻祖，對以后開發的商用軟件有著比較大的影響。

(2)FLUENT。是繼PHOENICS軟件后投放市場的第二個基于有限容積法的軟件，采用了多種求解方法和多重網格加速收斂技術，可以計算不可壓縮與可壓縮流動、定常與非定常流動、燃燒過程、含有粒子/液滴的蒸發、多組份介質的化學反應過程等。

(3)FIDAP。是世界上首先使用有限元方法的CFD軟件?？梢杂嬎銓恿髋c湍流、單相與兩相流、可壓縮及不可壓縮流、凝固與熔化、牛頓流體及非牛頓流體的流動問題等。

(4)CFX。是第一個發展和使用全隱式多網格耦合求解技術的商業化軟件。可計算多相流、不可壓縮及可壓縮流動、耦合傳熱問題、粒子運輸過程、化學反應、氣體燃燒、熱輻射等。

(5)STAR－CD。是全球第一個采用完全非結構化網格生成技術和有限體積方法來研究工業領域中復雜流動的流體分析商用軟件包?？梢杂嬎闩ｎD流體及非牛頓流體的流動、穩態與非穩態流動、亞音速及超音速流動、多孔介質中的流動、換熱等問題。

在建筑通風領域應用較多的是Phoenics和FIuent。Phoenics軟件與外界建模軟件接口方面比較強，可以借助于CAD、3DmAX的工具建立模擬對象的空間模型，然后通過Phoenics的輸入接口導入分析域中。針對建筑通風特點，F1uent軟件公司了推出了Airpak軟件，在保證計算結論可靠性的基礎上大大改善了FIuent軟件的易用性。

3 CFD在建筑通風中的應用

目前，國內外建筑通風的CFD研究開展了大量工作，涉及通風設計的主要有以下幾個方面:

3.1 在建筑自然通風中的應用

空氣壓差的作用產生空氣流動，這就形成了風。如果建筑物的開口(門或窗)處存在空氣壓差，就會形成自然通風。一般地，在單位時間內，從窗口進入室內的氣流越多，室內的通風效果相應地就越好。

Nikas等［1］對建筑自然通風進行了數值模擬研究，研究表明:室內的自然通風情況除了和建筑開口的幾何現狀有關外，風速的方向和大小也是一個很重要的影響因素。Calautit J K等［2］根據按比例縮小的風洞試驗和CFD分析探討自然通風條件下某風塔的通風性能，風洞試驗結果和CFD模擬吻合很好。

孫迎龍等［3］對光伏連棟玻璃溫室自然通風的條件下進行了室內溫度場三維CFD模擬和試驗，發現室內溫度場模擬和試驗結果吻合，驗證了模型的可行性。余元波等［4］采用CFD模擬了不同通風腔頂部和下部開口尺寸及窗戶開啟角度、尺寸等參數下，通風腔開口和外窗自然通風流量系數、外窗進風溫度所受影響。

3.2 在建筑機械通風中的應用

機械通風的可靠性高、降溫效果好、可控性強，在環境要求比較苛刻的建筑得到了廣泛的應用。Harral等［5］采用修正的k－ε模型對無牲畜強制通風的畜舍流場進行了計算，結果表明該模型與實際情況符合較好;張天柱等［6］用簡化的CFD模型對高密度迭層籠養蛋雞舍流場進行了數值模擬，給出了相應的雞舍內流場的分布。張忠杰等［7］運用CFD研究倉儲糧堆不同通風條件下溫度場的分布情況，得到了倉儲糧堆隨季節溫度變化的模擬結果。王遠成等［8］基于多孔介質理論，借助CFD對糧堆內部熱濕耦合過程進行了模擬，得到了糧堆內部水分遷移和熱量的規律。

3.3 在建筑混合通風中的應用

混合通風具有自然和機械通風的優點，可以滿足空氣品質高的要求而又環保節能。它設置了控制系統，能自動及時地切換自然通風和機械通風以減少能耗。Yingchun Ji等［9］介紹了位于杭州的一個使用了混合通風系統的低能耗建筑設計模擬和測試結果，發現混合通風系統設計是成功的。侯素娟［10］通過CFD建立了10層的中庭結構的建筑模型，得到了中庭空間內混合通風的氣流規律。劉小波［11］以混合通風系統作為研究對象，借助FLUENT對該系統進行數值模擬，得到了系統中速度場及溫度場分布情況。

3.4 在建筑置換通風中的應用

置換通風是近年興起的一種新的送風方式，與混合通風不同的是置換通風從房間一側送入新鮮空氣，而由另一側排出污濁空氣。這種調節系統能將室內的污染物和余濕、余熱帶走，改善室內空氣品質。王翔等［12］介紹了上海世博會膜結構屋頂展廳的置換通風空調設計，采用CFD軟件對室內溫度場、速度場進行了模擬及優化。

3.5 在建筑通風工程設計中的應用

傳統的通風設計根據半理論半經驗和少量的實驗來完成，一般方案選擇優化都是根據經驗決定，可靠性低。CFD的出現改變了傳統的設計流程，CFD模擬可以清晰地看出建筑內的溫度場、流場或濃度場的分布，能夠準確預測流體的運動情況，發現工程設計中存在的問題，從而不斷修正，使工程設計擺脫了對經驗的盲從，提高了設計效率。CFD模擬技術可以預測單個房間或者建筑的每個部分的詳細流體參數，能夠詳細地分析在通風空間的污染物分布和氣流形式。因此，CFD在通風工程界被稱為現場模擬工具。

4 結論

隨著建筑形式的復雜程度變高，CFD模擬在建筑通風設計中起到越來越重要的作用。本文簡要介紹了CFD技術及常用軟件，給出了CFD模擬在建筑通風中的應用情況。由于計算機技術和數值模擬技術的發展，CFD在建筑通風工程中已被應用于高大空間氣流組織研究、置換通風熱環境研究、潔凈房間的氣流組織研究、污染物排除特性的研究、輻射空調的換熱特性研究等。相信不久的將來，CFD技術會在建筑通風設計中得到更加廣泛的應用。

［1］Nikas K S，Nikolopoulos N，Nikolopoulos A.Numerical study of a naturally cross－ ventilated building.Energy and Buildings，2010，42(4):422－434.

［2］Calautit J K，Hughes B R.Wind tunnel and CFD study of the natural ventilation performance of a commercialmulti－ directional wind tower.Building and Environment，2014.

［3］孫迎龍，王新忠.光伏玻璃溫室自然通風條件下的 CFD模擬驗證.農機化研究，2015，4:043.

［4］余元波，譚洪衛，莊智等.新型建筑光伏幕墻和外窗自然通風設計.建筑節能，2014(10).

［5］Harral B B，Boon C R.Comparison of predicted andmeasured air flow patterns in amechanically ventilated livestock building without animals.Journal of Agricultural Engineering Research，1997，66(3):221 －228.

［6］張天柱，徐泳，黃之棟等.高密度迭層籠養蛋雞舍內氣流場的數值模擬.農業工程學報，1999，15(增刊):38 －43.

［7］張忠杰，李瓊，楊德勇等.準靜態倉儲糧堆溫度場的CFD模擬.中國糧油學報，2010(4):46－50.

［8］王遠成，段海峰，張來林.就倉通風時糧堆內部熱濕耦合傳遞過程的數值預測.河南工業大學學報:自然科學版，2009，30(6):75－79.

［9］Ji Y，Lomas K J，CookmJ.Hybrid ventilation for low energy building design in south China.Building and Environment，2009，44(11):2245 －2255.

［10］侯素娟.混合通風對高層住宅建筑中庭內氣流特性的影響研究.湖南:湖南大學，2010.

［11］劉小波.建筑混合通風的模擬研究.湖南:湖南大學，2005.

［12］王翔，王亮.高大空間膜結構屋頂展廳置換通風空調設計.暖通空調，2012，42(5):47 －50.